氣體流量對磁控濺射制備ZnO薄膜沉積速率以及阻隔能力的影響

王超楠 楊林 魯聽 黃保進 江志明

摘 要：采用射頻磁控濺射技術，以氧化鋅（ZnO）為靶材，在PET塑料表面沉積制備了氧化鋅薄膜包裝材料，研究了氬氣（Ar）流量對所制備的ZnO薄膜結構、形貌、沉積速率、透氧率以及透濕率的影響。實驗結果表明，當氬氣流量為40 sccm時，ZnO薄膜表面均勻且致密，其氧氣透過率可以達到1.14 cc/（m2.d），水蒸汽透過率為0.43 g/（m2.d）。

關鍵詞：射頻磁控濺射技術；氧化鋅薄膜；氬氣流量；透過性

Abstract：ZnO films were prepared by RF magnetron sputtering on PET substrates with ZnO target. The influence of the argon gas （Ar） flow on the structure，morphology， deposition rate and the barrier properties was studied. The results demonstrated that the best Ar flow rate was 40 sccm， the deposited ZnO films were denser and smoother， the OTR of the film was 1.14 cc/（m2.d）， WVTR was 0.43 g/（m2.d）.

Key words：RF magnetron sputtering；Zinc oxide film；Argon flow；Transparency.

高阻隔性包裝材料在食品、藥品以及太陽能組件等方面應用廣泛[1]。射頻磁控濺射技術以市場廣泛存在的塑料為基材，具備沉積速率快、襯底溫度低、濺射尺寸可控等優(yōu)點，對靶材無導電的要求，是具備廣闊的應用前景的一種高阻隔膜制備方法[2]。

目前，有關ZnO薄膜的研究集中于其光電性以及濕潤性等方面 [3]，而有關其阻隔性能的研究較少。本文采用射頻磁控濺射技術（RF），以ZnO靶材，研究了氬氣（Ar）流量對所制備的ZnO薄膜結構、形貌、沉積速率、透氧率以及透濕率的影響，驗證了其用于高阻隔薄膜的可行性。

1 實驗

（1）實驗與儀器。

材料與儀器：基材PET薄膜， 厚度為12μm； Ar純度99. 99%；磁控濺射鍍膜機為JRJ-400卷繞式，靶材為99.99%的ZnO靶，尺寸為74.7 mm×4 mm，靶基距為80 mm。XRD為荷蘭帕納科銳影X射線衍射儀，電壓為40 kV，電流為30 mA。SEM為蔡司公司IGMA+X-Max 20型掃描電子顯微鏡，X射線能譜儀為英國牛津（INCA-350）型。W3/330水蒸氣透過率測試系統(tǒng)（Labthink/蘭光），透氧儀為OX-TRAN Model 2/21。

（2）氧化鋅薄膜的制備。

PET基材經(jīng)過超聲清洗、預濺射清洗后進行鍍膜濺射。濺射功率為100 W，沉積時間為20 min，工作壓力為0.4 Pa。

2 結果和分析

所制ZnO/PET薄膜淡黃色、透明，外觀均勻。

（1）氬氣流量對薄膜沉積速率以及阻隔能力的影響。

薄膜沉積速率（a）以及其對水、氧阻隔能力（b）隨氬氣流量的變化關系見圖1。如圖1（a）所示，隨著氬氣流量的增加，沉積速率先線性增大而后降低。主要原因是Ar流量過低時，濺射靶材的離子不足，Ar流量過高時，濺射腔中氣體粒子過高，與濺射生成的ZnO粒子發(fā)生強烈碰撞甚至聯(lián)級碰撞，降低了沉積在基材上ZnO的數(shù)量。如圖1（b）所示，薄膜的水、氧透過性隨氬氣流量的增大，先快速降低，當氬氣流量超過30 sccm時，薄膜的透氧性呈增大趨勢，當氬氣流量超過40 sccm時，透濕性穩(wěn)定中有增大趨勢。考慮到沉積速率，最佳氬氣流量為40 sccm。

（2）氬氣流量對薄膜結構與形貌的影響。

由圖2中SEM圖可知，氬氣流量為10 sccm時，薄膜表面圓形、橢圓形、彎月形等片狀分布，形狀、尺寸不均一，隨著氬氣流量增加至30 sccm時，形狀像柳葉形轉化，均勻性提高。當氬氣流量為40 sccm時，氧化鋅顆粒成柳葉狀，尺寸均勻，薄膜更加致密，所制備的ZnO薄膜是其六方晶系結構（圖2e），O元素和Zn元素分布均勻（圖2f）。當氬氣流量增加至60 sccm時，氧化鋅呈多邊形與納米球形，均勻性、致密性降低。這說明Ar流量過高時，濺射生成的ZnO與氣體粒子發(fā)生的劇烈碰撞以及增強的散射作用，影響其沉積分布與形貌。

3 結論

利用射頻磁控濺射技術，制備了氧化鋅（ZnO）透明復合阻隔薄膜，討論了氬氣流量對薄膜的結構、形貌、沉積速率和阻隔能力的影響，明確了制備ZnO高阻隔薄膜的最佳氬氣流量為40 sccm。

參考文獻：

[1]Liu Z，Sun ZH， Ma XX， Lin J.RF magnetron sputtered SiOx coatings on papers. Advanced Materials Research.2011，174： 475-479.

[2]建清.Si Ox鍍膜包裝材料的開發(fā)及發(fā)展.塑料包裝， 2002， 12（2）：20-23.

[3]程曉蕾，劉志，施煥儒，簡建明，徐楊.室溫下高速沉積 AZO 薄膜的研究.材料導報，2011，11（25）：83-90.